【分享】计量基础知识介绍

3、溯源性
在实际工作中，由于目的和条件的不同，对计算结果的要求亦各不相同。但是，为使计量结果准确一致，所有的同种量值都必须由同一个计量基准(或原始标准)传递而来。换句话说，任何一个计量结果，都能通过连续的比较链溯源到计量基准。这就是溯源性。可以说，“溯源性”是“准确性”和“一致性”的技术归宗。因为，任何准确、一致，都是相对的，是与当代的科技水平和人们的认识能力密切相关的。也就是说，“溯源”可以使计量科技与人们的认识相对统一，从而使计量的“准确”和“一致”得到技术保证。就一国而论，所有的量值都应溯源于国家计量基准；就国际而论，则应溯源于国际计量基准或约定的计量标准。否则，量值出于多源，不仅无准确一致可言，而且势必造成技术上和应用上的混乱，以致酿成严重的后果。

4、法制性
计量本身的社会性就要求有一定的法制保障。也就是说，量值的准确一致，不仅要有一定的技术手段，而且还要有相应的法律、法规的行政管理，特别是那些对国计民生有明显影响的计量，诸如社会安全、医疗保健、环境保护以及贸易结算中的计量，更必须有法制保障。否则，量值的准确一致便不能实现，计量的作用也就无法发挥。
可见，计量于一般的测量不同。测量是为确定量值而进行的全部操作，通常不具备、也无需具备上述的计量特点。所以，计量属于测量，而又严于一般测量；也可以说，计量是量值确切统一的测量。当然，在实际工作或文献资料中，一般没有必要去严格区分“计量”与“测量”。国内如此，国际亦如此。顺便提一下，在翻译外文资料时，例如英文measurement，可译为“测量”，也可译为“计量”，视具体情况和惯例而定。

至于“测试”，测试具有一定试验性（探索性）的测量。近年来，往往将不是严格按照约定规程或成熟方案进行的测量统称为测试，甚至有时也可以将测试理解为测量和试验的综合。

从学科发展来看，计量原本是物理学的一部分，或者说是物理学的一个分支。随着科技、经济和社会的发展，计量的概念和内容也在不断地扩展和充实，以致逐渐形成了一门研究测量理论与实践的综合性学科——计量学。或者说，计量学是关于测量理论与实践的知识领域。
就学科而论，计量学又可分为：

（1）通用计量学——涉及计量的一切共性问题而不针对具体的被测量的计量学部分。例如，关于计量单位的一般知识（单位制的结构、计量单位的换算等）、测量误差与数据处理、计量器具的基本特性等。
（2）应用计量学——涉及特定计量的计量学部分。通用计量学是泛指的，不针对具体的被测量；而应用计量学则是关于特定的具体量的计量，如长度计量、频率计量等。
（3）技术计量学——涉及计量技术，包括工艺上的计量问题的计量学部分。例如，自动测量、在线测量等。
（4）理论计量学——涉及计量理论的计量学部分。例如，关于量和计量单位的理论、测量误差理论等。
（5）品质计量学——涉及品质管理的计量学部分。例如，关于原料、材料、设备以及生产中用来检查和保证有关品质要求的计量器具、计量方法、计量结果等。
（6）法制计量学——涉及法制管理的计量学部分。例如，为了保证公众安全、国民经济和社会的发展，根据法律、技术和行政管理的需要而对计量单位、计量器具、计量方法和计量准确度（或不确定度）以及专业人员的技能等所进行的强制管理。
（7）经济计量学——涉及计量的经济效益的计量学部分。这是近年来人们相当关注的一门边缘学科，涉及面甚广。例如，计量在社会生产体系中的经济作用和地位，计量对科技发展、生产率的增长、产品品质的提高、物质资源的节约、国民经济的管理、医疗保健以及环境保护方面的作用等。
当然，计量学的上述划分不是绝对的，而是突出了某一方面的计量问题。

计量的精密度、正确度、精确度，是计量的几个基本概念(参见图1)

1．精密度
计量的精密度(precision of measurement)，系指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度(见下)高。也就是说，测得值的随机误差小，不一定其系统误差亦小。

2．正确度
计量的正确度(correctness of measurement)，系指被测量的测得值与其“真值”的接近程度。从测量误差的角度来说，正确度所反映的是测得值的系统误差。正确度高，不一定精密度高。也就是说，测得值的系统误差小，不一定其随机误差亦小。

3．精确度
计量的精确度亦称准确度(accuracy of measurement)，系指被测量的测得值之间的一致程度以及与其“真值”的接近程度，即是精密度和正确度的综合概念。从测量误差的角度来说，精确度(准确度)是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。

图1是关于计量的精密度1正确度和精确度的示意图。
设图中的圆心O为被测量的“真值”，黑点为其测得值，则
图(a)：正确度较高、精密度较差；
图(b)：精密度较高、正确度较差；
图(c)：精确度(准确度)较高，即精密度和正确度都较高。


通常所说的测量精度或计量器具的精度，一般即指精确度(准确度)．，而并非精密度。也就是说，实际上“精度”已成为“精确度”(准确度)的习惯上的简称。至于精度是精密度的简称的主张，若仅针对精密度而言，是可以的；但若全面考虑，即针对精密度、正确度和精确度三者而言，则不如是精确度的简称或者本意即指精确度更为合适。因为，在实际工作中，对计量结果的评价，多系综合性的，只有在某些特定的场合才对精密度和正确度单独考虑。那么，为何不去简化（如果说是“简化”的话）一个常用术语，而偏要去简化一个不常用的术语呢！再说，就大多数计量领域和计量工作者来说，已经习惯于“精度”来表示“精确度”或准确度了，何不顺其自然呢？
顺便说一下，本书中所用的“精度”，系指“精确度”（准确度），即精密度和正确度的综合概念。

计量的发展，大体上可分为三个阶段。

1．古典阶段
古典阶段是以权力和经验为主的初级阶段，没有或者没有充分的科学依据。作为最高依据的计量基准，多用人体的某一部分、动物的丝毛或某种能力、植物果实、乐器以及物品等。
例如，我国古代的“布手知尺”、“掬手为升”、“十发为程”、“十程为分”；英国的“码”，是英王亨利一世将其手臂向前平伸，从其鼻尖到指尖的距离；英尺是查理曼大帝的脚长；英亩是二牛同扼一日翻耕土地之面积，等等。

2．经典阶段
从世界范围看，1875年“米制公约”的签定，可认为是经典阶段的开始。随着科学技术的进步和社会生产力的发展，计量基准已开始摆脱利用人体、自然物体等的原始状态，进入了以科学为基础的发展阶段。由于科技水平的限制，这个时期的计量基准都是在经典理论指导下的宏观器具或现象。例如，根据地球子午线长度的1/4的1/10 000 000，用铂铱合金制造的长度基准米原器；根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量，用铂铱合金制造的质量单位基准千克原器；根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位安培；根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位秒；等等。
这类宏观实物基准，随着时间的推移，由于物理的、化学的以及使用中的磨损等原因，难免发生微小的变化。另外，由于原理和技术的限制，该类基准的准确度亦难以大幅度提高，以致不能满足日益发展的社会需要。于是便提出了建立更稳定、更精确的新型计量基准的课题。

3．现代阶段
现代阶段的基本标志是由经典理论为基础转为量子理论为基础，由宏观实物基准转为微观量子基准。
建立在量子理论基础上的微观自然基准，或称量子基准，比宏观实物基准优越的多，更精确、更稳定可靠。因为，根据量子理论，微观世界的量，只能是跃进式的改变，而不可能发生任意的微小变化；同时，同一类物质的原子和分子都是严格一致的，不随时间和地点而改变。这就是微观世界的所谓稳定性和齐一性。量子基准就是利用了微观世界所固有的这种稳定性和齐一性而建立的。
迄今为止，国际上已正式确立的量子基准有长度单位米基准、时间单位秒基准、电压单位伏特基准和电阻单位欧姆基准。

2．计量与生产 计量对工业生产的作用和意义是很明显的。社会化大生产的本身就要求有高度的计量保证。生产的发展，大体上可分为三个阶段，即以经验为主的阶段，半经验、半科学阶段和科学阶段。计量则是科学生产的技术基础。从原材料的筛选到定额投料，从工艺流程监控到产品的品质检验，都离不开计量。例如，一辆普通的载重汽车有9000多个零件，由上百个工厂生产，若没有一定的计量保证，就无法装配成功。某地方中型钢铁厂轧钢板的耗油量，原来是每吨300余公斤，后来由于对废气、空气量、燃烧供热量以及温度等进行了计量监控，结果使能耗下降到每吨40公斤。原先，某钢厂的冶金炉，所用的重油燃料靠人工经验控制，根本不计量；为了火旺，总是多投料，结果燃烧不彻底，黑烟滚滚，既多耗油，又污染环境，以致连年亏损。后来，安装了计量仪表，对燃料进行了监控，使加油量保持在最佳值，既节约了油料，又减少了污染，同时还提高了炼钢效率，结果很快就出现了扭亏为盈的新局面。某玛钢厂是我国生产玛钢制品的第一大厂。过去，能耗一直居高不下，是当地耗能的重点户。为摸清原因，该厂对十余种主要设备进行了热平衡测试，并取得了大量数据，从而计算出设备热平衡和能耗的基本关系，初步掌握了能源利用的规律，找出了能耗严重的主要原因并相应地安装了监测仪表。例如，退火窑的热效率原约为8%，监测控制后则提高到12%以上，退火时间由60小时降到35小时，一年就节煤近2 000吨、节电26 000余千瓦小时（度）。结果，一年下来，全厂的用水量下降了21％，节电约600 000千瓦小时，综合能耗下降了约10％，产值提高了22％。 近年，国外经济发达国家，把优质的原材料、先进的工艺装备和现代的计量检测手段，视为现代化生产的三大支柱。其实，优质原材料的制取与筛选、先进工艺装备的配备与流程的监控，也都离不开计量测试。例如，国外先进生产线的产品品质高，次、废品少或几乎没有，其中重要的因素就是充分利用了在线测量与监控技术。至于所谓的柔性生产（制造）系统，更需要现代计量检测手段的技术保证。 至于农业生产，特别是现代化的农业生产，亦必须有计量保证。例如，为了科学种田，就必须通过计量来掌握土壤的酸碱度、盐分、水分、有机质和氮、磷、钾的含量以及温度等。在盐水选种、温汤或药剂浸种、适温催芽和离心脱水等过程中，亦都要靠一定的计量保证。电离辐射育种，是近年发展起来的一项重要增产措施。我国已用该法培育出了许多农作物新品种，其中鲁棉一号可使棉花大面积地成倍增产。利用电离辐射实现农产品和食物的防腐保鲜，亦是新兴辐射加工工业的一个重要方面。所有这些，都需要相应的计量保证，否则不仅达不到预期的效果，而且会造成不应有的损失。另外，在田间管理上，也离不开计量。例如，既要合理密植，又要间作套种，这就需要对植株光合作用的照度等进行必要的计量。 事实充分表明，科学生产和技术革新，都离不开计量测试。

3．计量与人民生活

计量对人民生活的意义是相当明显的。生产过程的计量不容忽视，生活中的计量则更应关注。它直接触动人们的切身利益，而且有时非常敏感。例如，日常买卖中的计量器具是否准确，家用电表、煤气表和水表是否合格，以至公共交通的时刻是否准确等，都会对人们的生活产生一定的影响。
民以食为天。粮食是生活的必需品，任何人都离不开它。粮食的品质直接关系到人们的健康。在粮食生产的过程中，施化肥可以增产，洒农药可以除虫。但化肥和农药大多对人体有害，必须控制在一定的剂量之内，否则将会导致积累性中毒，造成严重的后果。某些农药，如六六六等，许多国家，包括我国，已明令禁止使用。近年来，一些发达国家在积极探索完全不使用化肥和农药的新式农业，即所谓的“生态农业”，很值得关注。倘能成功并予以推广，将会对人类的生存和发展产生深远的影响。
食品的保鲜，是人们越来越关注的一个问题。医学界已经证明，粮食及其制品，发霉变质会产生黄曲霉素，人和动物食用后容易致癌。另外，食品在加工过程中，往往要加入一些添加剂，如色素、味素、防腐剂等，都应对其进行必要的计量检测，以控制用量，否则会导致不良后果，危害人们的健康。所以，粮食及其制品的生产、贮存和加工，都离不开计量。
副食品，特别是水产品、肉、蛋和蔬菜的冷冻保鲜，人们已普遍采用。对此，温度的控制很重要，温度过低会对食品的色、香、味甚至营养起破坏作用；温度过高则不易保存。这也只有通过相应的计量才能予以保证。
近年来，城市的各种污染日益严重，几乎成了难以根除的公害。世界各国，特别是比较发达的国家，对环境保护都相当重视。其中，关键的一环，就是进行有效的计量监测与控制，诸如对大气、水质及噪声等。至于水和空气对人生的重要性，是不言而喻的。社会调查表明，一些水质良好、空气新鲜的地区，特别是山区，人们的平均寿命较长；相反地，水质不好、空气污染严重的地区，人们的发病率较高，寿命普遍较低。近年来，通过对空气的计量测试，发现当空气中的负离子浓度较大时，会感到空气格外新鲜，对人们有一定的医疗保健作用。这也是往往将休养所、疗养院、保健院等建于山区、林中或海滨、湖畔的原因之一。
在医疗卫生方面，计量测试的作用亦越来越明显。现代医学对疾病的预防、诊断和治疗，都离不开计量测试。例如，测量体温、血压，作心电图、脑电图以及各种化验等，皆是常见的计量测试。对于癌症，人们都很关注，是目前死亡率最高的疾病之一。据美国专家的估计，大约总人口的1/4，在其一生中可能患有各种癌症。当然发病与否，患病的程度各不相同。现在，有的国家癌症患者已逾百万。其中，约70％的患者接受放射线治疗，但治愈者仅40％左右。这里，要求肿瘤部位所受到放射线照射的剂量准确到±5％。因为，剂量小了，不足以抑制和杀伤癌细胞；剂量大了，则会使患者遭受不应有的损伤。这也只有靠计量来保证。

5．计量与国防
计量对国防，特别是尖端技术的重要性，尤为突出。国防尖端系统庞大复杂，涉及的科技领域广，技术难度高，要求计量的参数多、精度高、量程大、频带宽。比如，由于飞行器与地面的距离不断增大，对通信、跟踪、测轨、定位等都相应地提出了更高的要求。就卫星来说；军用通讯同步卫星距地面可达35 800km，而核爆炸检测卫星距地面则远达112 280 km，用无线电联系，就必须有大功率的发射机和高灵敏度的接收机，因而必须对大功率、低噪声、大衰减和小电压等主要参数进行相应的计量测试。这不但要研究测试方法和设备，而且要建立相应的计量标准。当前，地面设备的发射平均功率已可达几十千瓦，接收机的噪声温度已能低于15K。为提高对飞行器的控制能力，对跟踪、定位、测速等的精度要求越来越高，不仅对电子参数，而且对设备加工和伺服控制元件亦提出了更严格的要求。在连续波计量系统中，为保证测速精度达到每秒几厘米，地面频标的短期稳定度应在10^-12以上。在宇航系统中，地面设备之间的联系、地面对空间飞行器的探测、控制，都要高速的传输和处理大量数据。因此，要求传送信号的频带很宽而且精度很高。国际上通讯和广播卫星将普遍使用11GHz~14GHz、20GHz一40GHz或更高频段，不断向毫米波、亚毫米波迈进。这就必须研制新的元器件、部件以至整机，从而对计量测试亦必然提出相府的新的要求。

对国防尖端技术系统来说，工作环境比较特殊，往往要在现场进行有效的计量测试，难度较大。例如，飞行器在运输、发射、运行、回收等过程中，要经历一系列诸如振动、冲击、高温、低温、高湿、强辐射等恶劣环境。当弹头进入大气层时，要经受几千度以上的超高温；提高接收机灵敏度的关键部件一般要在液氦的超低温下工作；主发动机推力可达几十兆牛，而姿态控制发动机的推力则只有几厘牛。原子弹、氢弹等核武器的研制与爆炸威力实验，对计量都有特殊要求，必须进行动态压力、动态温度、脉冲流量，以及核辐射等一系列计量测试。

由于计量测试提供了所需的数据，保证了各部件、分系统和整个系统的可靠性；同时，还可以缩短研制周期，节约人力、物力和时间。例如，美国一航空喷气发动机公司，在研制一种新型发动机的过程中，需要进行一系列的计量测试。当计量仪器的误差为0.75σ时，需要进行200次实验，耗资2 000万美元；当仪器的测量误差减小到0.5σ时，只需要进行28次实验，耗资仅280万美元。

在1991年的海湾战争中，“爱国者”导弹之所以能够成功地拦截“飞毛腿”导弹，准确的计量测试是重要的原因之一。

可见，在国防建设中，计量测试是极其重要的技术基础，具有明显的技术保障作用，不仅可以节约资金；争取时间、提高作战能力，而且还能为指挥员的判断与决策提供可靠的依据。

从上面的一些事例，已可看出，计量是科学技术进步、经济和社会发展的重要技术基础。另一方面，随着形势的发展，对计量的要求亦越来越高，特别是对准确度和可靠性的要求尤为突出，7从而激励了计量本身的发展。如今，可以毫不夸张地说，任何科学、任何部门、任何行业以至任何活动，都直接或间接地、有意或无意地需要计量。计量水平的高低，已成为衡量一个国家的科技、经济和社会发展程度的重要标志之一。

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基础知识普及，温习了